植物在逆境中的生理生長

植物在逆境中的生理生長第1頁，共108頁，2023年，2月20日，星期五

一、逆境下植物生理過程的變化二、細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)與植物抗逆性三、生物膜結(jié)構(gòu)與植物抗逆性四、逆境下植物的自由基傷害與保護(hù)系統(tǒng)

五、滲透調(diào)節(jié)與植物抗逆性六、植物抗逆的分子生物學(xué)研究進(jìn)展七、植物激素與抗逆性八、交叉適應(yīng)第2頁，共108頁，2023年，2月20日，星期五

逆境（environmentalstress），就是對植物生長不利的各種環(huán)境因子的總稱.植物在長期進(jìn)化過程中、不同環(huán)境下生長的植物形成了對某些環(huán)境的適應(yīng)能力，產(chǎn)生了不同生態(tài)類型的植物:

喜溫植物、水生植物、旱生植物、鹽生植物、中生植物、陽性植物、陰性植物等。即使同一生態(tài)型植物，甚至是植物的不同品種對某些不良環(huán)境條件的抗御能力也有程度上的差別。植物逆境的抵抗及適應(yīng)性，可以從形態(tài)和生理兩方面表現(xiàn)出來。形態(tài)上：葉片大小、角質(zhì)和蠟質(zhì)層、表皮毛、微管束分化程度和根系分化差別等(長期）。生理上：自由水/束縛水、可溶性糖、游離氨基酸、激素變化、滲透調(diào)節(jié)、特異抗性蛋白等（短期）。

為了充分認(rèn)識不良環(huán)境條件對植物生命活動的影響，以及植物對它們的抵御能力，在植物生理研究中形成了逆境生理這樣一個研究領(lǐng)域。特別注意植物的抗逆性。第3頁，共108頁，2023年，2月20日，星期五第4頁，共108頁，2023年，2月20日，星期五干旱凍害冷害鹽害第5頁，共108頁，2023年，2月20日，星期五

植物的抗逆性(stressresistance)泛指植物對不良環(huán)境（逆境）的抵抗能力。

避逆性:(stressescape)指植物通過對生育周期的調(diào)整來避開逆境的干擾，在相對適宜的環(huán)境中完成其生活史。例如夏季生長的短命植物，且能隨環(huán)境而改變自己的生育期。沙漠中某些植物只在雨季生長，如短命菊、小果崧(30天)、瓦松等。

耐逆性:（stresstolerance）指植物處于不利環(huán)境時，通過代謝反應(yīng)來阻止、降低或修復(fù)逆境造成的損傷，即通過自身生理變化來適應(yīng)環(huán)境能力。例如植物遇到干旱或低溫時，細(xì)胞內(nèi)的滲透物質(zhì)會增加，防止細(xì)胞脫水，以提高植物的抗逆性。

御逆性:(stressavoidance)指植物具有一定的防御環(huán)境脅迫的能力，且在脅迫下仍然保持正常的狀態(tài)。這類植物通常具有根系及輸導(dǎo)系統(tǒng)發(fā)達(dá)，吸水、吸肥能力強(qiáng)，物質(zhì)運(yùn)輸阻力小，角質(zhì)層較厚，還原性物質(zhì)含量高，有機(jī)物質(zhì)的合成快等特點。植物受到脅迫后產(chǎn)生的相應(yīng)的變化稱為脅變（strain）。脅變可以發(fā)生在不同水平上，如整體、器官、組織、細(xì)胞和分子水平上。第6頁，共108頁，2023年，2月20日，星期五

對植物抗逆性的研究，著重于一些重要的生理過程變化。光合作用呼吸作用水分物質(zhì)代謝變化（碳水化合物、氮代謝）激素水平酶活性變化(水解酶、合成酶、轉(zhuǎn)化酶）大量研究作為這些生理過程變化基礎(chǔ)的代謝反應(yīng)。特別是近年來又深入研究植物抗逆性的分子基礎(chǔ)和分子遺傳等方面。植物抗逆性與蛋白質(zhì)和核酸結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系，抗逆與生物膜結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系，抗逆基因和基因工程的研究。第7頁，共108頁，2023年，2月20日，星期五一、逆境下植物生理過程的變化

1.逆境與植物水分狀況

各種逆境首先普遍會影響到植物體水分狀況的變化，在冰凍、低溫、高溫、干旱、鹽漬、病害發(fā)生時，植物的水分狀況均有相似的變化。自由水和束縛水，在遇到這些不良環(huán)境后，二者的相對高低與植物的抗逆性密切相關(guān)。也把它作為植物抗逆性的一個水分指標(biāo)。

相對含水量（relativewatercontent,RWC）水勢(waterpotential)—小液流、壓力室、熱電偶濕度計法。滲透勢(osmoticpotential)—冰點滲透計、熱電偶濕度計法。氣孔導(dǎo)度(stomatalconductance)—穩(wěn)態(tài)氣孔計、光合測定系統(tǒng)蒸騰速率(transpirationrate)—穩(wěn)態(tài)氣孔計、光合測定系統(tǒng)細(xì)胞質(zhì)濃度—自由水和束縛水、折光儀或阿貝折射儀、蒸汽壓滲透劑。第8頁，共108頁，2023年，2月20日，星期五

2.逆境與原生質(zhì)膜透性

細(xì)胞膜的透性在反映植物抗性的差異上是比較敏感的，在冷、凍、旱、熱、澇及SO2傷害等方面都表現(xiàn)原生質(zhì)膜透性增強(qiáng)。大量的電解質(zhì)和非電解質(zhì)物質(zhì)被動的向細(xì)胞外滲漏。（細(xì)胞膜透性可用電導(dǎo)儀測定）。

胞內(nèi)物質(zhì)向外滲漏原因:①原生質(zhì)膜上ATP酶和有機(jī)物質(zhì)主動運(yùn)輸酶（載體等）活力有關(guān)。②而且還與逆境下，細(xì)胞失水，原生質(zhì)膜出現(xiàn)不連續(xù)的狀態(tài)有關(guān)。③也有認(rèn)為以外滲物質(zhì)反映原生質(zhì)膜透性變化時，可能在逆境條件下胞內(nèi)可溶性物質(zhì)隨水的外流而引起物質(zhì)外滲。第9頁，共108頁，2023年，2月20日，星期五

3.逆境與光合作用

在任何一種逆境下，植物都表現(xiàn)為光合速率下降，同化產(chǎn)物供應(yīng)減少，植物在干旱條件下葉片因失水而造成組織含水量減少。逆境引起氣孔導(dǎo)度降低，蒸騰減弱，CO2吸收和同化阻力增加，導(dǎo)致光合速率降低。最直接的是氣孔調(diào)節(jié)、相關(guān)酶活性及葉綠素含量。

①氣孔導(dǎo)度降低或氣孔關(guān)閉。②失水造成光合作用有關(guān)酶(Rubisco)活力的降低和角質(zhì)層細(xì)胞壁對CO2的透性降低；③葉綠素含量、光化學(xué)活性及光能轉(zhuǎn)化率降低。不同逆境引起光合速率下降原因各不相同。第10頁，共108頁，2023年，2月20日，星期五

例如：鹽漬化條件下生長的小麥，葉片光合速率比對照降低30-50%。下降的原因主要是蛋白質(zhì)分解大于合成,葉綠素分解加強(qiáng)，葉綠素含量下降，致使光和強(qiáng)度降低。鹽脅迫對葉綠素含量影響大于其它脅迫條件。例如：丙酮酸提取葉綠素，對照25%，干旱為20%，鹽脅迫為50%。水稻葉肉細(xì)胞在鹽脅迫前后的變化第11頁，共108頁，2023年，2月20日，星期五光合作用中苜蓿施鐵條件下葉片光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Cond）、胞間CO2濃度（Ci）及蒸騰速率（Tr）之間的關(guān)系。Treatment第12頁，共108頁，2023年，2月20日，星期五

4.逆境與呼吸作用呼吸作用植物生命活動的中心，植物抗性生理研究資料中，可將逆境下呼吸作用的變化分為三種類型：⑴當(dāng)植物受環(huán)境脅迫時，呼吸強(qiáng)度降低。冰凍、高溫、鹽漬和淹水脅迫時，植物呼吸作用都是逐漸降低。小麥在–7℃處理時，葉片呼吸速率僅為對照的1/5。⑵當(dāng)植物受逆境時，植物呼吸作用先升高后降低，如冷害和干旱脅迫時，水稻花期冷害發(fā)生時，氣呼吸作用先升高后降低，（呼吸途徑改變，抗氰呼吸增加）。植物受旱時，隨著水量降低，植物體內(nèi)可溶性物質(zhì)和呼吸基質(zhì)增加。⑶當(dāng)植物受環(huán)境脅迫時，呼吸作用明顯增加，并能維持相當(dāng)長的時間，接近植物死亡時呼吸作用才下降。植物發(fā)生病害時，呼吸作用極顯著的增加，有時比對照植株增加10倍以上。這種呼吸作用增強(qiáng)與菌絲體呼吸無關(guān)?？共『粑┒搜趸到y(tǒng)活躍。第13頁，共108頁，2023年，2月20日，星期五

5.逆境與物質(zhì)代謝

從碳水化合物和蛋白質(zhì)代謝來看，各逆境條件下，都表現(xiàn)為合成能力降低，分解代謝加強(qiáng)。(可溶性物質(zhì)在低溫或干旱下積累作用不同)

碳代謝：例如，山芋、馬鈴薯等低溫下貯藏時會變甜，與淀粉水解為可溶性糖有關(guān)，與磷酸化酶水解活性增強(qiáng)有關(guān)。（可溶性糖）

氮代謝：在蛋白質(zhì)代謝中看到，低溫、高溫、干旱、鹽漬脅迫下蛋白質(zhì)降解，可溶性氮增加。（游離氨基酸，脯氨酸）

Chaken在研究小麥抗旱性與蔗糖合成酶和蛋白質(zhì)合成酶活性關(guān)系的研究中指出，抗旱和不抗旱品種中，這兩種酶活性下降速率不同。不抗旱小麥葉片失水20%時，酶合成力已完全停止，抗旱小麥葉片失水50%時，仍由40%的合成能力，說明抗旱品種具有緩解水解，保持合成的能力。近年來研究發(fā)現(xiàn)，在逆境脅迫下，植物體內(nèi)正常的蛋白質(zhì)合成被抑制，而常常誘導(dǎo)出一些新的蛋白質(zhì)，這是植物為了提高對不良環(huán)境適應(yīng)和抵抗的方式。逆境蛋白。第14頁，共108頁，2023年，2月20日，星期五

（1）逆境蛋白的類型高溫脅迫下誘導(dǎo)產(chǎn)生一種稱為熱激蛋白。（heat-shockproteins簡稱HSPs）,又稱熱休克蛋白。低溫下馴化合成的冷馴化蛋白（cold-acclimationprotein,CAPs）。鹽脅迫下合成的鹽脅迫蛋白，如26KD滲透素（Osmotin）。缺氧條件下誘導(dǎo)合成的厭氧蛋白（anaerobicproteins,ANP）。紫外線誘導(dǎo)蛋白（UV-inducrelproteins,UVPs）。病原相關(guān)蛋白(pathogenesis-relatedproteins,PRPs)?；瘜W(xué)誘導(dǎo)蛋白(chemicalinducedprotein,CIP)。

由此可見，無論是物理的、化學(xué)的、還是生物的環(huán)境因子，在一定情況下都有可能在植物體內(nèi)誘導(dǎo)出某種逆境蛋白。各種不良環(huán)境下，植物體內(nèi)誘導(dǎo)一些新蛋白合成，這表明逆境條件使植物基因表達(dá)發(fā)生了改變，一些正常表達(dá)的基因被關(guān)閉，而一些與適應(yīng)性有關(guān)的基因被啟動表達(dá)。第15頁，共108頁，2023年，2月20日，星期五

（2）逆境蛋白的作用①參與代謝的酶或同工酶玉米苗研究發(fā)現(xiàn)，在厭氧或水淹條件下，新合成的蛋白質(zhì)厭氧多肽，深入研究表明，厭氧多肽中有一些就是與糖酵解或糖代謝有關(guān)的酶，如由adh1和adh2基因編碼的醇脫氫酶同工酶；葡萄糖-6-磷酸異構(gòu)酶、果糖-1，6-二磷酸醛縮酶和蔗糖合成酶的同工酶等。這些酶的出現(xiàn)或活力的提高對保證植物有必要的能量供應(yīng)無疑是有益的，并可促進(jìn)乙醇發(fā)酵以避免酸中毒。研究發(fā)現(xiàn)冰葉松葉菊在NaCl、PEG和干旱誘導(dǎo)下，可使C4光合作用轉(zhuǎn)變?yōu)镃AM途徑，其標(biāo)志為誘導(dǎo)產(chǎn)生PEPcase，它是光合作用CAM途徑的關(guān)鍵酶。自然條件下，處于干旱生境的CAM植物的氣孔白天關(guān)閉，晚上開放時從外界進(jìn)入的二氧化碳通過PEPcase和蘋果酸脫氫酶固定于蘋果酸，并積累在液泡中。白天，蘋果酸從液泡中運(yùn)出，井脫羧放出二氧化碳，再經(jīng)RUBP羧化酶固定，將光能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能。第16頁，共108頁，2023年，2月20日，星期五

②逆境蛋白與酶抑制蛋白的同源性

在植物受到傷害時、常會形成或增加某些對植物有保護(hù)作用的酶蛋白的抑制物，這些抑制物有些本身是一些多肽,如小麥中的α-淀粉酶抑制物、玉米和大麥中的抑制物、大麥和小麥中的雙功能酶(蛋白酶／淀粉酶)抑制物等。它們在傷害情況下的誘導(dǎo)增加可看作為是一種“原初免疫反應(yīng)”，以提高植物的防衛(wèi)能力。通過對逆境誘導(dǎo)蛋白與已知的一些酶蛋白抑制物進(jìn)行氨基酸或核苷酸的同源性分析，結(jié)果表明：逆境蛋白與酶蛋白抑制物有同源性。番茄鹽誘導(dǎo)蛋白NP24與甜蛋白(thaumatin)的同源性達(dá)58％；煙草致病相關(guān)蛋白(TPR)與玉米蛋白酶抑制物的同源性為57％；滲調(diào)蛋白與玉米雙功能酶(淀粉酶／胰蛋白酶)抑制物在氨基酸水平上的同源性達(dá)62％。不同逆境下誘導(dǎo)蛋白與蛋白抑制物在分子水平上的同源性，表明逆境蛋白同樣具有提高植物在逆境下防衛(wèi)能力及保護(hù)作用。第17頁，共108頁，2023年，2月20日，星期五

③逆境蛋白與解毒作用

在植物對有毒害作用的重金屬的反應(yīng)中，植物被重金屬誘導(dǎo)會產(chǎn)生某些蛋白質(zhì)，主要有兩種蛋白質(zhì)：

—種稱為類金屬硫蛋白，它們具有某些動物金屬硫蛋白的特征、如紫外吸收峰、氨基酸組分、相對分子質(zhì)量等，能與Cu+2和Cd+2相結(jié)合。另一種稱為植物螯合肽，它們的相對分子質(zhì)量比金屬硫蛋白還要小。

這兩種蛋白質(zhì)雖有不同之處，但都為金屬離子所誘導(dǎo)，都富含有半胱氨酸殘基，都可通過它們的巰基與至金屬離子結(jié)合，降低細(xì)胞內(nèi)可擴(kuò)散的重金屆離子濃度，起到解毒作用。第18頁，共108頁，2023年，2月20日，星期五

④逆境適應(yīng)過程中形成的穩(wěn)定蛋白或貯藏蛋白

通過對煙草懸浮細(xì)胞鹽適應(yīng)研究滲調(diào)蛋白。滲調(diào)蛋白是一組堿性蛋白質(zhì)，把相對分子質(zhì)量約26×103的蛋白質(zhì)定名為滲調(diào)蛋白，在鹽適應(yīng)細(xì)胞中它的含量隨環(huán)境水勢下降而升高，甚至可達(dá)到細(xì)胞總蛋白量的12％。在鹽適應(yīng)細(xì)胞的整個生長周期都有滲調(diào)蛋白的合成。脫落酸(ABA)作為一種逆境激素能誘導(dǎo)滲調(diào)蛋白的合成。鹽可能涉及ABA誘導(dǎo)的滲調(diào)蛋白mRNA的轉(zhuǎn)錄或滲調(diào)蛋白翻譯后的修飾，使它更加穩(wěn)定。鹽脅迫→ABA→mRNA→滲調(diào)蛋白。鹽適應(yīng)細(xì)胞中產(chǎn)生的滲調(diào)蛋白是穩(wěn)定的，在無鹽培養(yǎng)基中生長若干代后(80代)，它們?nèi)阅芎铣蓾B調(diào)蛋白，表明在鹽適應(yīng)后發(fā)生了某些滲調(diào)蛋白累積調(diào)節(jié)機(jī)制的永久性變化。在鹽適應(yīng)細(xì)胞中40％的滲調(diào)蛋白是可溶性的，結(jié)合在葉綠體和線粒體以外的顆粒上。許多滲調(diào)蛋白集中在液泡中，液泡含有高水平的滲調(diào)蛋白。滲調(diào)蛋白可能是一種鹽適應(yīng)過程中形成的貯藏蛋白。第19頁，共108頁，2023年，2月20日，星期五

⑤分子伴侶(molecularchaperone)蛋白分子伴侶蛋白是參與其他多肽的正確裝配．但是本身最后并不成為功能結(jié)構(gòu)的一部分。后來發(fā)現(xiàn)分子伴侶中的許多蛋白質(zhì)就是所謂的熱激蛋白(HSP)?，F(xiàn)在研究較多的分子伴侶蛋白有Hsp100、Hsp90、Hsp70、Hsp60。近年來，分子伴侶蛋白已成為細(xì)胞生物學(xué)中一個重要的話題，研究大多集中于它們在正常條件下和在脅迫條件下的功能，特別是在蛋白質(zhì)折疊方面的功能。Hsp90對細(xì)胞的存活，特別在真核生物細(xì)胞中的作用倍受關(guān)注。分子伴侶蛋白的主要作用可能有：

A、在正常生理條件下功能幫助蛋白正確折疊、裝配、運(yùn)轉(zhuǎn)及降解；穩(wěn)定新形成的蛋白質(zhì)。

B、在脅迫條件下能夠穩(wěn)定蛋白和膜的結(jié)構(gòu)，防止變性蛋白聚合等。例如使熱失活的RNA聚合酶再活化，控制熱激反應(yīng)。

C、促進(jìn)捕光蛋白復(fù)合體插入類囊體膜等。第20頁，共108頁，2023年，2月20日，星期五

例1.熱休克蛋白

Ritossa(1962)在研究果蠅唾液腺染色體時發(fā)現(xiàn)了一種在細(xì)胞高溫應(yīng)激時對細(xì)胞有保護(hù)作用的蛋白質(zhì),因而命名為“熱休克蛋白”。最初只認(rèn)為HSP在高溫下可有效保護(hù)蛋白質(zhì)折疊結(jié)構(gòu),真核細(xì)胞和原核細(xì)胞在高溫時均可產(chǎn)生HSP。

由高溫誘導(dǎo)合成的熱擊蛋白（熱休克蛋白）現(xiàn)象廣泛存在于植物界，已發(fā)現(xiàn)在酵母、大麥、小麥、谷子、大豆、油菜、胡蘿卜、番茄以及棉花、煙草等植物中都有熱擊蛋白。熱擊處理誘導(dǎo)HSPs形成的所需溫度因植物種類而有差異。豌豆37℃，胡蘿卜38℃、番茄39℃、棉花40℃、大豆41℃、谷子46℃均為比較適合的誘導(dǎo)溫度。植物對熱擊反應(yīng)是很迅速的，熱擊處理3～5分鐘就能發(fā)現(xiàn)HSPmRNA含量增加，20分鐘可檢測到新合成的HSPs。細(xì)胞內(nèi)各區(qū)室(內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、線粒體、葉綠體、胞室等)都有HSP70對應(yīng)物的存在,表明它對這些細(xì)胞器是必需的。第21頁，共108頁，2023年，2月20日，星期五

例2.

低溫誘導(dǎo)蛋白

植物不但高溫處理可誘導(dǎo)新的蛋白成，低溫下也會形成新的蛋白，稱冷響應(yīng)蛋白(coldresponsiveprotein)或冷擊蛋白(coldshockprotein)。用低溫鍛煉方法使冬油菜用0℃處理均能形成新的蛋白,油菜細(xì)胞產(chǎn)生20KD多肽。

Koga等用5℃冷脅迫誘導(dǎo)水稻葉片離體翻譯產(chǎn)生新的14KD多肽。低溫誘導(dǎo)蛋白的出現(xiàn)還與溫度的高低及植物種類有關(guān)。一種茄科植物Solanumcommerssonii的莖愈傷組織在5℃下第一天就誘導(dǎo)三種蛋白合成，但若回到20℃，則一天后便停止合成。

胚胎發(fā)育晚期豐富蛋白(lateembryogenesisabundantprotein,LEA)是一類在植物種子胚胎發(fā)育晚期富集合成的一系列蛋白,在干旱、低溫和鹽漬脅迫下因失水而誘導(dǎo)產(chǎn)生,屬于冷凋節(jié)蛋白。該蛋白富含甘氨酸和其它親水氨基酸,疏水氨基酸含量較少,具有高度的親水性和熱穩(wěn)定性。研究發(fā)現(xiàn)植物的許多低溫誘導(dǎo)蛋白是LEA蛋白。

第22頁，共108頁，2023年，2月20日，星期五

例3.病原相關(guān)蛋白

(pathogenesis-relatedproteins,PRPs）也稱病程相關(guān)蛋白，這是植物被病原菌感染后植物細(xì)胞合成并分泌到細(xì)胞間隙一類低分子量蛋白質(zhì)，與抗病性有關(guān)的一類蛋白。真菌、細(xì)菌、病毒和類病毒可以誘導(dǎo)病原相關(guān)蛋白產(chǎn)生，而且與病原菌有關(guān)的物質(zhì)也可誘導(dǎo)這類蛋白質(zhì)產(chǎn)生。如幾丁質(zhì)、β-1,3-葡聚糖以至高壓滅菌殺死的病原菌及其細(xì)胞壁、病原菌濾液等也有誘導(dǎo)作用，即誘導(dǎo)基因表達(dá)，病原蛋白合成。自從在煙草中首次發(fā)現(xiàn)病原相關(guān)蛋白以來，至少有20多種植物中發(fā)現(xiàn)了病原相關(guān)蛋白的存在。大麥被白粉病侵染后產(chǎn)生過敏反應(yīng)，可誘導(dǎo)10種新的蛋白形成。病原相關(guān)蛋白的分子量往往較小，一般不超過40KD，且主要存在于細(xì)胞間隙，病原相關(guān)蛋白常具有水解酶活性，它可以水解入侵病原菌細(xì)胞壁，幾丁質(zhì)酶和β-1，3-葡聚糖酶就是常見的代表，這兩種酶對病原真菌的生長有抑制作用第23頁，共108頁，2023年，2月20日，星期五

例4.鹽逆境蛋白植物在受到鹽脅迫時會新形成一些蛋白質(zhì)或使某些蛋白合成增強(qiáng)，稱為鹽逆境蛋白。自1983年以來，已從幾十種植物中測出鹽逆境蛋白。在向煙草懸浮培養(yǎng)細(xì)胞的培養(yǎng)基中逐代加氯化鈉的情況下，可獲得鹽適應(yīng)細(xì)胞，這些細(xì)胞能合成26KD的鹽逆境蛋白(滲壓素)。

例5.活性氧脅迫蛋白百草枯（Paraquat)除草劑能誘發(fā)大量超氧自由基（.O2－）殺死植物。但在亞致死劑量（0.1mol/L）時，百草枯誘發(fā)一定量.O2–的產(chǎn)生，而.O2–誘導(dǎo)合成SOD的同功酶，這種變化發(fā)生在轉(zhuǎn)錄水平誘導(dǎo)該酶mRNA形成，SOD可以清除過量的.O2–，維持其平衡，保證植物行使正常生理功能。任何能誘到植物產(chǎn)生.O2–的不良環(huán)境因子，都會使SOD活性提高，清除.O2–傷害，提高植物適應(yīng)不良環(huán)境的能力。第24頁，共108頁，2023年，2月20日，星期五

二、細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)與植物抗逆性質(zhì)膜是細(xì)胞與生活環(huán)境相聯(lián)系的結(jié)構(gòu)，它不僅調(diào)控一切營養(yǎng)物質(zhì)的進(jìn)出，而且是細(xì)胞對外界因子做出反應(yīng)的最先部位或屏障。在植物抗寒性研究中，質(zhì)膜是反應(yīng)最敏感的部位，凍害損傷的普遍現(xiàn)象就是離子和分子的外流、膨壓丟失、植物萎焉。因此人們很早認(rèn)為，凍害可能首先損傷質(zhì)膜的半透性。馬克西莫夫早在1921年就已指出這一問題，并研究了糖在細(xì)胞結(jié)凍時的保護(hù)作用，蔗糖能滲入細(xì)胞作保護(hù)劑對原生質(zhì)體起保護(hù)作用。越冬植物細(xì)胞中會積累糖分，減少低溫危害。

各種細(xì)胞器對凍害反應(yīng)的敏感程度不同,小麥不抗寒品種冰凍后亞顯微結(jié)構(gòu)破壞更嚴(yán)重，葉綠體膜破裂，類囊體嚴(yán)重空泡化，核質(zhì)凝集。凍害引起超微結(jié)構(gòu)變化及破壞程度決定與植物品種的抗寒性，抗寒品種其細(xì)胞和膜結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性高，不抗寒品種超微結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性低。第25頁，共108頁，2023年，2月20日，星期五Palta(1978)在小麥葉片冰凍—化凍處理中，未經(jīng)低溫鍛煉的葉片葉肉細(xì)胞原生質(zhì)膜、胞間連絲、核仁和染色質(zhì)上不顯示或很少顯示Mg2+—ATP酶活力，經(jīng)過低溫鍛煉的葉肉細(xì)胞中上述結(jié)構(gòu)和細(xì)胞器上有明顯的Mg2+—ATP酶活力，證明低溫鍛煉增加抗凍性，與質(zhì)膜Mg2+—ATP酶活性的提高有關(guān)，減少離子外滲。

Heber(1968)通過對菠菜分離葉綠體的冰凍實驗指出，凍害首先是破壞葉綠體膜結(jié)構(gòu)，然后導(dǎo)致光合磷酸化（ATP酶）失活。凍害使葉綠體膜發(fā)生破壞：①使偶聯(lián)因子從類囊體的外表面解離下來，破壞光誘發(fā)電子的吸收。②使葉綠素從膜上解離，③破壞了膜的半透性。葉綠素對凍害最敏感，與其他細(xì)胞器相比,線粒體則表現(xiàn)出相對穩(wěn)定的特點。第26頁，共108頁，2023年，2月20日，星期五簡令成（1980）鑒定小麥抗寒性，通過對小麥分離的原生質(zhì)體在冰凍—化凍后存活率測定（熒光素二乙酸法、伊凡藍(lán)染色法），指出質(zhì)膜穩(wěn)定性與小麥品種的抗寒性成正相關(guān)。農(nóng)科1號，抗寒力強(qiáng)，存活率96%。中等抗寒的鄭州741，存活率51.8%，不耐寒京紅8號，存活率只有2%。Giles等(1974)在玉米葉片葉肉細(xì)胞于-1.3MPa時葉綠體膜膨脹，原生質(zhì)中出現(xiàn)空泡，到-1.9MPa時，25%葉綠體破壞；干旱條件下葉綠體破壞，嗜餓體增大增多；復(fù)水后，嗜餓體變小，葉綠體片層恢復(fù)。Paljakoff-Meyber(1981)苔蘚抗旱性，當(dāng)嚴(yán)重失水時，葉綠體出現(xiàn)不規(guī)則的變形和膨脹，被膜皺疊并與類囊體分離，這時，類囊體發(fā)生膨脹而排列松散，復(fù)水24小時，這些形態(tài)上的變化和生理功能均可恢復(fù)到正常的狀態(tài)。第27頁，共108頁，2023年，2月20日，星期五低溫（－1℃）對轉(zhuǎn)抗凍蛋白基因煙草葉片超微結(jié)構(gòu)的影響細(xì)胞膜葉綠體線粒體線粒體葉綠體細(xì)胞膜野生型煙草轉(zhuǎn)基因煙草0d1d2d3d第28頁，共108頁，2023年，2月20日，星期五不同感病棗樹和莖尖培養(yǎng)的植株葉脈組織的顯微結(jié)構(gòu)變化a.棗瘋病嚴(yán)重的植株;b.病癥較輕的植株;c.病發(fā)區(qū)尚未表現(xiàn)癥狀的植株;d.莖尖培養(yǎng)的植株。第29頁，共108頁，2023年，2月20日，星期五

三、生物膜結(jié)構(gòu)與植物抗逆性

作為生命活動與其環(huán)境的一個界面，任何一個刺激首先為細(xì)胞膜所接受，然后經(jīng)過傳導(dǎo)、放大等一系列過程才由細(xì)胞做出反應(yīng)，因此，在研究植物抗逆性中，生物膜的作用越來越為研究者們所關(guān)注，研究較多的是低溫脅迫對生物膜組分、結(jié)構(gòu)和功能的影響，特別是與抗低溫性（冷脅迫、凍脅迫）的關(guān)系。

生物膜的一般概念：提出了約50種生物膜的模式，代表性：Gorter等（1925）“雙層膜模式”即生物膜由內(nèi)外兩層類膜組成；Muhlether等人（1965）“冰山”模式即膜組分中的蛋白質(zhì)成球狀，如同一座冰山漂在類脂的海洋中；Singer等（1972）“流動鑲嵌”模式，即生物膜有類脂和蛋白質(zhì)鑲嵌而成，并處于一種流動的液晶態(tài)。Jain(1977)根據(jù)某些膜成分在膜上的不對稱分布，類脂和蛋白質(zhì)在膜上的專一性的分子間相互作用，進(jìn)一步提出了“板塊”模式。第30頁，共108頁，2023年，2月20日，星期五

盡管模式不斷發(fā)展和完善，但有一點基本上相同的，即生物膜主要由類脂和蛋白質(zhì)構(gòu)成。類脂在膜組分中一般占重量的20—30%，膜蛋白質(zhì)占膜重量的多少因膜具酶活性大小而異，有高功能活性的膜含有70%重量的蛋白質(zhì)。膜脂包括磷脂和糖脂，磷酯基本組成：三元醇（甘油）、磷酸。不同飽和程度脂肪酸，通常帶一個N原子的堿基。第31頁，共108頁，2023年，2月20日，星期五

就目前所知，在正常條件下，細(xì)胞膜是處于一種液晶相的流動狀態(tài)。但這種狀態(tài)不是一成不變得，隨著環(huán)境溫度的變化，它的相狀態(tài)會發(fā)生變化，溫度下降時它可向晶態(tài)方向變化，溫度上升時也可向液態(tài)方向變化，隨之而來的是功能的變化，膜的相狀態(tài)（液態(tài)固態(tài)）的變化稱為相變。一般認(rèn)為膜的相狀態(tài)或膜的流動性在很大程度上由組成膜的脂，特別是膜極性脂的脂肪酸性質(zhì)所決定。

不同脂肪酸對相變溫度的影響可概括為：

1．飽和脂肪酸相變溫度>單雙鍵脂肪酸相變溫度>雙雙鍵脂肪酸相變溫度>三雙鍵脂肪酸相變溫度。

2．長鏈脂肪酸相變溫度>短鏈脂肪酸相變溫度。

3．反式不飽和脂肪酸相變溫度>同類順式不飽和脂肪酸相變溫度。結(jié)論：膜脂肪酸不飽和度越高,膜相變溫度越低（液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)溫度低）就意味著植物細(xì)胞抗冷性越強(qiáng)。膜脂質(zhì)變化：包括膜脂類型及其脂肪酸性質(zhì)第32頁，共108頁，2023年，2月20日，星期五（一）膜脂組分對植物抗冷性的影響

高等植物膜脂中含有磷脂、糖脂,即單半乳糖二甘油脂（MGDG）和雙半乳糖二甘油脂（DGDG）、硫脂（SL）等，其中磷脂又是主要成分。在植物線粒體中它占總脂的50—60%，植物主要的磷脂：磷脂酰膽堿（PC卵磷脂）、磷脂酰乙醇胺（PE）、磷脂酰肌醇（PI）、磷脂酰絲氨酸（PS腦磷脂）、磷脂酰甘油（PG）。磷酸與堿基為親水基團(tuán)，脂肪酸碳鏈為疏水基團(tuán)，決定它的存在方式與結(jié)構(gòu)的有序性。

MGDG第33頁，共108頁，2023年，2月20日，星期五

物理學(xué)中，不同碳鏈長度及不飽和鍵數(shù)的脂肪酸，其固化強(qiáng)度不同：從鍵長來說，碳鏈越長，固化溫度越高，碳鏈越短，固化溫度越低。相同碳鏈長度時，不飽和鍵越多（膜的液化程度高，流動性越大），固化溫度越低。含有不同脂肪酸鏈的PC，其固化溫度與碳鏈長度和不飽和鍵數(shù)的關(guān)系，和純脂肪酸間的固化溫度關(guān)系一致，只是具體溫度不同而已。由于不同脂肪酸的固化溫度不同，這就將膜脂脂肪酸與膜相變聯(lián)系起來。

第34頁，共108頁，2023年，2月20日，星期五不同脂肪酸及不同脂肪酰的磷脂酰膽堿的固化溫度脂肪酸固化溫度磷脂酰膽堿固化溫度月桂酸（12：0）44.0二月桂酰-2豆蔻酸（14：0）53.9二豆蔻酰24棕櫚酸（16：0）63.1二棕櫚酰42硬脂酸（18：0）69.6二硬脂酰58油酸（18：1）13.4二油酸-2亞油酸（18：2）-5.0二亞油酸-50亞麻酸（18：3）-11.0二亞麻酸-----第35頁，共108頁，2023年，2月20日，星期五

Kuiper(1970)苜蓿上進(jìn)行膜脂組分與抗冷性關(guān)系研究，抗冷性強(qiáng)的品種中MGDG、DGDG、PC和PE含量在15—30℃范圍內(nèi)均比不抗冷的品種含量高，而PG,PI,SL含量含量低。兩品種的膜質(zhì)的脂肪酸有很大差別，以葉片的DGDG的脂肪酸為例，抗冷品種DGDG中飽和脂肪酸含量少，不飽和脂肪酸含量多。尤其亞麻酸含量超過70%，不抗冷品種亞麻酸含量只有57%。

總結(jié)：抗冷植物細(xì)胞脂以MGDG、DGDG、PC和PE為主；膜脂中的脂肪酸主要以亞麻酸、亞油酸等不飽和脂肪酸為主。第36頁，共108頁，2023年，2月20日，星期五

Lyous（1965）曾在16：0、18：0、18：2、18：3不同濃度組成的混合脂肪酸中測定它們的固化溫度，發(fā)現(xiàn)18：2、18：3不飽和脂肪酸含量增加到60%以下，混合脂肪酸的固化溫度緩慢下降。當(dāng)不飽和脂肪酸含量超過60%以上時，固化溫度明顯降低。

John（1976）在棉花幼苗上進(jìn)行了膜脂肪酸配比與抗冷性的關(guān)系研究，經(jīng)低溫鍛煉的幼苗，其抗冷性增強(qiáng)，葉片膜脂不飽和度增加，利用抑制不飽和脂肪酸形成的物質(zhì)Sandoz9785處理棉花幼苗后，膜脂不飽和度減少，而幼苗抗冷性明顯降低。王洪春（1982）在206個水稻品種中膜脂不飽和脂肪酸抗冷的關(guān)系，幾乎都是正相關(guān)。第37頁，共108頁，2023年，2月20日，星期五

（二）膜脂組分對植物抗凍性的影響

磷脂含量與抗凍性,Yoshida等(1976)利用植物樹皮進(jìn)行自然越冬和人工低溫處理試驗，發(fā)現(xiàn)低溫能促進(jìn)膜脂中磷脂含量增加，從9～11月自然越冬情況下，抗凍能力逐漸增加，磷脂含量增加最明顯，主要是磷脂酰膽堿（PC）；不抗凍的材料PC明顯減少，磷脂酸（PA）顯著增加，PA是磷脂的降解產(chǎn)物。研究發(fā)現(xiàn)磷脂降解與存在于線粒體內(nèi)的磷脂酶的活力有關(guān)?？箖鲂詮?qiáng)的樹皮，在結(jié)冰時，磷脂酶的活力低。不抗凍的樹皮在結(jié)冰溫度下，磷脂酶活性高，認(rèn)為此酶活性大，發(fā)生磷脂降解致使膜受害。

膜脂肪酸與抗凍性，Deyee(1979)白皮松葉片片層膜上看到膜脂脂肪酸配比與抗凍性有關(guān)，片層膜中的脂類糖脂增加(MGDG、DGDG)，冬季氣溫降低后，片層膜中亞油酸含量增加11%，亞麻酸含量增加了24%，而棕櫚酸、硬脂酸和油酸含量降低。葉綠體片層膜中增加不飽和脂肪酸可增加膜的穩(wěn)定性，有利于越冬抗寒。在葡萄越冬枝條材料中均有相同的結(jié)果。孫中海等（1985）在柑桔越冬抗凍研究中，證明抗凍性與柑桔葉片、種子、韌皮部膜脂不飽和脂肪酸含量成正相關(guān)。秋末到仲冬時期膜脂不飽和脂肪酸逐漸增加達(dá)到最大。第38頁，共108頁，2023年，2月20日，星期五

（三）膜脂組分對植物抗鹽性影響

膜脂種類與抗鹽性：

Kuiper(1968)在研究葡萄品種抗鹽性中，葡萄根莖組織的脂類與抗鹽性關(guān)系，MGDG含量與品種抗鹽性、鹽分的吸收和運(yùn)輸有密切的關(guān)系。凡是根莖組分含MGDG多的品種吸收NaCl能力強(qiáng),鹽分體內(nèi)運(yùn)輸快，對鹽分比較敏感，易受害。而含根莖中磷脂即PC和PE含量高的品種，吸收NaCl能力低，對鹽敏感性低。用戊醇代替生物膜人工試驗中，戊醇膜對NaCl透性低，戊醇層中加入MGDG時，能使本不能通過戊醇層運(yùn)輸?shù)柠}離子運(yùn)輸，他認(rèn)為MGDG有利于鹽分跨膜，因此增加氯化物穿膜的能力。

Müller(1978)在NaCl處理大麥幼苗，證明葉綠體被膜、類囊體膜發(fā)生變化。當(dāng)有NaCl存在進(jìn)行培養(yǎng)，類囊體膜脂中MGDG、DGDG和PC含量下降，其中以MGDG下降值較大，比對照降低1/3。葉綠體被膜中兩者下降明顯。當(dāng)除去NaCl一天后，膜組分可恢復(fù)到對照水平。因此他們認(rèn)為MGDG的降低是對鹽分的一種適應(yīng)性，正可阻止鹽分的進(jìn)入。第39頁，共108頁，2023年，2月20日，星期五

膜脂脂肪酸與抗鹽性：

Stuiver等（1978）發(fā)現(xiàn)不抗鹽甜菜根中含有較多的亞油酸和亞麻酸，抗鹽的菜豆根中正相反。他們認(rèn)為膜脂不飽和脂肪酸多時，利于鹽離子跨膜進(jìn)入植物體，意味著抗鹽能力弱。

王洪春（1981）利用不同濃度的NaCl和Na2CO3溶液處理玉米幼苗，研究植物抗鹽性與膜脂脂肪酸組分和質(zhì)膜透性的關(guān)系。隨鹽分濃度增加處理時間加長，葉片含水量下降，質(zhì)膜透性增加。膜脂脂肪酸中亞麻酸含量降低。棕櫚酸和油酸含量增加，膜脂不飽和度降低，膜透性也逐漸降低?？赡苣ぶ舅犸柡统潭扰c離子穿膜有關(guān)。

趙可夫等（1982）在積鹽植物鹽角草中看到，隨NaCl濃度增加，葉片MGDG、DGDG、PC含量下降，鹽濃度越高，它們下降越明顯，同時膜脂中亞麻酸含量也隨鹽分濃度增加而減少。第40頁，共108頁，2023年，2月20日，星期五

（四）膜脂組分對植物抗旱性影響

Willemot(1979)在小麥抗凍性研究中進(jìn)行了土壤干旱處理。觀察干旱對小麥膜脂脂肪酸與抗旱的關(guān)系。結(jié)果看到當(dāng)土壤濕度維持在萎焉系數(shù)附近時，小麥葉片膜脂中亞麻酸含量明顯減少。其它飽和脂肪酸含量增加，水分脅迫影響膜脂脂肪酸組分。楊景峰等（1984）小麥灌漿期的干熱風(fēng)研究中，抗旱強(qiáng)的小麥品種的葉表皮細(xì)胞極性脂和中性脂中，含飽和脂肪酸較多，不抗旱小麥品種相反。另外，還看到膜脂飽和脂肪酸含量與葉片抗脫水和根系吸水力密切相關(guān)。膜脂飽和脂肪酸含量與抗旱性成正相關(guān)。玉米幼苗經(jīng)受不同濃度的PEG處理后，看到隨處理濃度和時間增加，葉片含水量下降，質(zhì)膜透性增大，膜脂中亞麻酸和亞油酸明顯減少，而飽和的棕櫚酸大量增加，這種變化對干旱的一種適應(yīng)性。當(dāng)玉米葉片失水速率過快，膜脂透性發(fā)生極為明顯的增加，但膜脂脂肪酸組分沒有發(fā)生變化。這說明膜脂脂肪酸變化需通過代謝過程才能實現(xiàn)，產(chǎn)生適應(yīng)性。第41頁，共108頁，2023年，2月20日，星期五

（五）膜脂對膜結(jié)合酶活性的影響

膜結(jié)合酶需要磷脂存在才有活性，這是在20世紀(jì)60年代開始認(rèn)識。過去認(rèn)為膜磷脂參與膜的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的改變，引起了透性的變化，從而導(dǎo)致了離子外滲或有毒物質(zhì)的積累，進(jìn)而影響正常的生理活動過程。不僅如此，1962年第一次發(fā)現(xiàn)磷脂作為一種非底物形式而直接參與酶的功能（酶在磷脂膜上才有活性），從而進(jìn)一步擴(kuò)大了人們對磷脂作用的認(rèn)識，并開始了這方面的研究?，F(xiàn)在一般把磷脂對膜結(jié)合酶的作用分為兩種，非專一性和專一性。非專一性的作用:

主要指磷脂對膜結(jié)合酶創(chuàng)造了一個必要的疏水環(huán)境，使活化的酶和底物都處于適宜的生化反應(yīng)狀態(tài)，有利于酶的催化作用。代謝過程中的許多底物、代謝中間產(chǎn)物都是脂溶性的，需要一個疏水的環(huán)境。這種非專一性作用表現(xiàn)為膜結(jié)合酶對磷酸脂的要求在種類上并不嚴(yán)格。因而不同種的磷脂對這些酶的活化都有效。第42頁，共108頁，2023年，2月20日，星期五專一性作用:

主要在于許多膜結(jié)合酶需要磷脂的專門的極性基團(tuán)（堿基）提高酶活力。如線粒體β-羥基丁酸脫氫酶系統(tǒng)，純化的酶需要磷脂中的專一的磷脂酰膽堿（PC）的含氮堿基活化。在這種酶功能中，磷脂的作用在于酶必須與脂結(jié)合成一個活化的復(fù)合體，然后才能同輔酶結(jié)合，（Ca2++Mg2+）+ATP酶和（Na++K+）—ATP酶需要磷脂酰絲氨酸（PS）。

Kuiper(1972)曾以大豆為材料，研究了ATP酶活性對磷脂的要求，他發(fā)現(xiàn)用丙酮提取從膜上溶解下來的ATP酶，活性幾乎為零，但通過加入磷脂，酶活性可以部分恢復(fù)，特別是磷脂酰膽堿。第43頁，共108頁，2023年，2月20日，星期五

何雷尼斯（Arrhenius）圖，可以反映膜結(jié)合酶活性與膜性質(zhì)或狀態(tài)的關(guān)系。在溫度逐漸降低條件下，酶活化能的變化。在特定的溫度下酶發(fā)生活化能的轉(zhuǎn)折，這種轉(zhuǎn)折往往與膜相變有關(guān)，即由膜相變引起。因而磷脂的組成影響了膜的流動性，間接地影響了酶的活性。從低溫下酶活化能變化反映植物抗冷性強(qiáng)弱。

Lyous等（1970）用Arrhenius圖，研究不抗冷的甘薯、番茄、黃瓜果實線粒體的蘋果酸氧化酶表現(xiàn)活化能在9～12℃間出現(xiàn)一個折點。而抗冷的馬鈴薯、胡蘿卜線粒體的蘋果酸氧化酶表現(xiàn)活化能在5～25℃間呈一直線。折點溫度是膜發(fā)生相變而引起酶活化能化的溫度。王育毅等（1981）在水稻上證明抗冷強(qiáng)的品種線粒體含不飽和脂肪酸多，其線粒體α-酮戊二酸氧化酶活性高，表現(xiàn)活化能在Arrhenius圖上的低溫折點溫度較低。不抗冷品種線粒體含不飽和脂肪酸少，其線粒體α-酮戊二酸氧化酶活性低，表現(xiàn)活化能低溫折點強(qiáng)度較高。因此他們認(rèn)為膜脂不飽和度直接影響膜結(jié)合酶的活性。第44頁，共108頁，2023年，2月20日，星期五5.7℃4℃蘇維埃等（1983）用差示掃描熱量法和熒光分析法研究了粳、秈稻膜脂的熱致相變和流動性與脂肪酸組成的關(guān)系。從水稻不同的品種干胚膜脂升溫圖譜中顯示出兩品種在低溫峰終點溫度上存在差異。抗冷品種的低溫峰終點溫度為4℃，不抗冷為5.7℃。折點膜脂由液相變?yōu)楣滔嗨a(chǎn)生熱量變化。反映植物抗冷性。第45頁，共108頁，2023年，2月20日，星期五四、逆境下植物的自由基傷害與保護(hù)系統(tǒng)

需氧生物的正常生命活動離不開氧，但近來研究表明，氧在植物體內(nèi)存在方式對生命活動有很大影響，一般把生物體內(nèi)直接或間接由氧轉(zhuǎn)化而成的某些代謝產(chǎn)物及其衍生的含氧物質(zhì)統(tǒng)稱為活性氧。

1.活性氧、自由基類型及性質(zhì)

超氧化物自由基（·Oˉ2

）羥基自由基（·OH）過氧化氫（H2O2）脂類過氧化物（ROO）單線志氧（1O2）它們都含有氧，并且有著比氧更加活潑的化學(xué)反應(yīng)性。在活性氧中，許多屬生物自由基，即是游離存在的帶有不成對電子的分子、原子或離子。第46頁，共108頁，2023年，2月20日，星期五自由基性質(zhì)：①這些自由基具有極活潑的化學(xué)活性，很強(qiáng)的氧化能力。②本身不穩(wěn)定，只能瞬間存在。③能持續(xù)地進(jìn)行連續(xù)反應(yīng)。因此，在生命活動中起著重要的作用。.O2－1O2O2ehv第47頁，共108頁，2023年，2月20日，星期五

2.自由基清除系統(tǒng)在生物體內(nèi)活性氧或生物自由基在不斷地產(chǎn)生，但也不斷地被消除，O·ˉ2在非酶反應(yīng)中，可以含鐵蛋白（如豆血紅蛋白）途徑生成。生物分子氧化

Fe2++O2→Fe2+-O2→Fe3+-O2→Fe3++O·ˉ2

經(jīng)酶反應(yīng)途徑產(chǎn)生黃嘌呤+2O2+H2O尿酸+2O·ˉ2+2H+

對于單線志氧（1O2）可以從脂質(zhì)過氧化過程中形成或在光合色素中形成：

ROO·+ROO·→ROOR+1O2ChlChl*→Chl*＋O2

→1O2

自由基酶清除系統(tǒng)：植物細(xì)胞中多余自由基可通過有關(guān)的酶類或一些能與自由基反應(yīng)并產(chǎn)生穩(wěn)定產(chǎn)物的化合物來清除。超氧化物歧化酶(superoxidedismutase,SOD)、過氧化氫酶（CAT）、過氧化物酶（POD）、谷胱甘肽過氧化物酶（GSH-PX），均屬清除活化物氧的酶類。近年來對超氧物歧化酶研究較深入。自1969年Mecord首先從牛血紅細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)以后，在植物細(xì)胞的葉綠體、線粒體和細(xì)胞質(zhì)中均有存在，它的主要功能是清除·O2-。hv第48頁，共108頁，2023年，2月20日，星期五

O·ˉ2+O·ˉ2+2H+H2O2+O2，H2O2H2O+1/2O2

目前已知有三種不同形式SOD，即CuZn-SOD，Mn-SOD，F(xiàn)e-SOD。研究了它們的氨基酸序列分析。植物SOD的活性水平與類型是植物為了適應(yīng)環(huán)境氧分壓不斷升高而逐漸演化形成的，低等植物以Fe-SOD或Mn-SOD為主，而高等植物以Cu·Zn-SOD為主，細(xì)胞溶質(zhì)的SOD以Cu·Zn-SOD為主，它占細(xì)胞溶質(zhì)總SOD的86%。線粒體的SOD主要是Mn-SOD，它占線粒體總SOD的74%～76%。在細(xì)胞器分布及類型，清除自由基的適應(yīng)性。

天然的非酶自由基清除劑：VE、GSH、VC、類胡蘿卜等。

人工的非酶自由基清除劑：二笨胺、苯甲酸鈉、沒食子酸丙酯等。第49頁，共108頁，2023年，2月20日，星期五

3.自由基傷害

Fridorich等1969年指出生物自由基傷害學(xué)說，在正常條件下，自由基的產(chǎn)生和清除處在平衡狀態(tài)下，此時體內(nèi)自由基濃度極低，它們不僅不會損傷機(jī)體，而且還可以顯示其獨(dú)特的生理作用。但在脅迫條件下，不良環(huán)境條件會影響體內(nèi)自由基代謝系統(tǒng)的平衡，而增加活性氧的產(chǎn)量和破壞、降低活性氧清除的水平。自由基及活性氧對植物的傷害主要表現(xiàn)在：

①膜傷害:

自由基使膜發(fā)生過氧化作用，產(chǎn)生丙二醛（MDA），使細(xì)胞膜系統(tǒng)及細(xì)胞器破壞解體。通過測定丙二醛含量鑒定膜傷害程度，進(jìn)一步鑒定膜透性。植物處在逆境下或植物氧代謝失調(diào)時，發(fā)生膜脂過氧化的自由基鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，膜脂由液晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槟z態(tài)，從而導(dǎo)致膜流動性下降。這種由膜相改變而引起的膜流動性變化稱為“膜相變”（phasetransitionofmembrane）。第50頁，共108頁，2023年，2月20日，星期五

多不飽和脂肪酸的亞甲基氫原子離解能較低，它在活性氧的作用下容易解脫而形成脂質(zhì)自由基,脂質(zhì)自由基不穩(wěn)定，其雙鍵易重排成共軛二烯結(jié)構(gòu)并在氧參與下進(jìn)一步形成脂質(zhì)過氧化物自由基（lipidperoxyradical），脂質(zhì)過氧化物自由基一方面可奪取鄰近脂分子的氫而形成脂質(zhì)氫過氧化物和一個新脂質(zhì)自由基，使反應(yīng)連續(xù)不斷發(fā)生；另一方面，脂質(zhì)過氧化物自由基自動轉(zhuǎn)化為脂質(zhì)內(nèi)過氧化物，并逐步降解成丙二醛（malondialdehyde，MDA）等類似物的酮、醇、羧酸或低級烷烴。過氧化產(chǎn)物傷害:①降低膜流動性而固化,增加膜透性.②毒性,MDA可攻擊蛋白分子氨基酸，導(dǎo)致蛋白質(zhì)分子內(nèi)和分子間交聯(lián)變性凝聚，積累了有熒光特性的脂褐色素.MDA第51頁，共108頁，2023年，2月20日，星期五

②蛋白質(zhì)破壞：自由基直接作用于蛋白質(zhì)，引起肽鏈斷裂，氨基酸發(fā)生化學(xué)變化，蛋白質(zhì)交聯(lián)而生物活性改變。蛋白中氨基酸發(fā)生氧化被認(rèn)為是生命系統(tǒng)中一個具有潛在危害的重要信號。組成蛋白質(zhì)的所有氨基酸對O·ˉ2特別是·OH的氧化修飾十分敏感，其中以蛋氨酸、組氨酸、酪氨酸、色氨酸、脯氨酸、半胱氨酸和苯丙氨酸最容易受到氧自由基攻擊二氧化。它們之所以容易受氧自由基修飾，其原因是它們具有不飽和性質(zhì)，如組氨酸有嘧唑基，酪氨酸有酚羥基，色氨酸有吲哚基。羥自由基既可以攻擊蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)，同樣也造成蛋白質(zhì)二、三級結(jié)構(gòu)的損傷。正常培養(yǎng)7天的水稻幼苗，總蛋白含量和25KD蛋白質(zhì)含量與幼苗生長天數(shù)呈正相關(guān)；但高氧逆境下，幼苗在第三天開始，蛋白質(zhì)量不在增加，而且有逐漸下降趨勢，25KD蛋白譜帶開始發(fā)生擴(kuò)散與降解現(xiàn)象。可見，植物氧傷害是與蛋白質(zhì)合成受阻和原有蛋白質(zhì)受破壞有直接關(guān)系。第52頁，共108頁，2023年，2月20日，星期五

對酶的傷害

使酶分子發(fā)生交聯(lián)聚合。攻擊巰基導(dǎo)致酶失活。木瓜蛋白酶是一個結(jié)構(gòu)清楚且含有巰基，其活性依賴于巰基的酶?！-2和·OH能作用于蛋白酶，破壞酶的巰基，使酶不可恢復(fù)的失活。氧自由基與酶分子對酶的作用也可以通過修飾酶蛋白的不飽和性氨基酸，從而影響酶活。氧自由基與酶中心金屬例子其反應(yīng)而導(dǎo)致酶分子失活。如Cu·Zn-SOD催化·O-2歧化反應(yīng)而產(chǎn)生H2O2，H2O2使Cu·Zn-SOD中的Cu2+變成Cu+，Cu+與H2O2反應(yīng)生成破壞力更強(qiáng)的·OH，使Cu·Zn-SOD失活。第53頁，共108頁，2023年，2月20日，星期五

③核酸損傷：堿基破壞，斷裂缺失?；钚匝鯇NA結(jié)構(gòu)損傷的報道在噬菌體、細(xì)菌、微生物和哺乳動物方面較多，在高等植物材料方面較少。最近已有報道，百草枯或黃嘌呤-黃嘌呤氧化酶系統(tǒng)產(chǎn)生的O·ˉ2對花生葉片大分子量DNA有剪切（scission）、降解（degradation）和修飾（modification）作用。在這兩種外源O·ˉ2系統(tǒng)中分別加入超氧物歧化酶、過氧化物酶、硫脲或甘露醇時，花生大分子量DNA剪切與降解被抑制；但加入Fe2+則加劇DNA的剪切和降解作用。這些結(jié)構(gòu)顯示，直接攻擊DNA并造成其損傷的氧自由基是·OH，而O·ˉ2能驅(qū)動Fenton反應(yīng)或通過Haber-Weiss反應(yīng)轉(zhuǎn)化成·OH起作用。

1894年，F(xiàn)enton首次發(fā)現(xiàn)H2O2與Fe2反應(yīng)生成一種氧化能力很強(qiáng)的氧化物，1934年Haber-Weiss證明Fenton反應(yīng)產(chǎn)物是羥自由基，F(xiàn)e2+＋H2O2→Fe3+＋OH-＋·OH，已發(fā)現(xiàn)亞銅（Cu+）和亞鈦（Ti3+）也能像Fe2+一樣與H2O2產(chǎn)生Fenton反應(yīng)。第54頁，共108頁，2023年，2月20日，星期五

Fe2+＋

H2O2→Fe3+＋OH－＋·OH（Fenton）

O·ˉ2＋

H2O2→O2＋OH─＋·OH（Haber-weiss）

paraquat+(百草枯)＋

H2O2→paraquat2+(百草枯)

＋OH-＋·OH

引起DNA損傷的·OH是由絡(luò)合于DNA鏈上的Cu或Fe催化產(chǎn)生的，這樣產(chǎn)生的·OH離作用位點最近，濃度較高，使·OH有可能就在產(chǎn)生的位點上造成DNA的斷裂或損傷。羥自由基也能啟動脫氧核酸降解，其降解產(chǎn)物可發(fā)生TBA（硫代巴比妥酸）顯色反應(yīng)，反應(yīng)系統(tǒng)·OH產(chǎn)率越高，脫氧核酸的降解和產(chǎn)生TBA顯色反應(yīng)就越強(qiáng)。第55頁，共108頁，2023年，2月20日，星期五

高濃度氧對幼苗生長的毒害隨環(huán)境氧濃度的增加，水稻幼苗生長量受抑制逐漸加劇。若以空氣培養(yǎng)的水稻幼苗作對照（生長量100%），分別培養(yǎng)在40%、60%和80%氧濃度的水稻苗生長量只是對照的83%、66%和25%，而且，水稻苗的根比芽對氧傷害更敏感。吸脹過的水稻種子培養(yǎng)在氧氣中，前三天能緩慢地生長胚芽和胚根，但第五天根變褐、芽軟化，第七天幼苗凋萎致死。這種死亡并非缺乏CO2或光照而即饑餓所致，因為在同樣條件下加入正常量的CO2

及光照，幼苗同樣死亡。表明了在一定時間內(nèi)的高濃度氧能使水稻幼苗致死。第56頁，共108頁，2023年，2月20日，星期五

4.活性氧在植物生命活動中的必要性

既然活性氧代謝是生物長期進(jìn)化過程中逐漸形成的，那么活性氧的產(chǎn)生對生命過程就不可能只有消極一面，體內(nèi)的活性氧也不可能是無用的“副產(chǎn)品”。氧自由基對生命的必要性在動物研究較多。其中如前列腺素、凝血酶原和膠原蛋白的生物合成。核糖核苷的還原，肝臟對外來毒素的解毒作用，以及吞噬細(xì)胞等等都有自由基的參與。高等植物的研究報道較少，但已知一些重要的植物生理生化過程是在活性氧的參與下完成的。

①活性氧與細(xì)胞內(nèi)代謝的關(guān)系

電子傳遞:植物代謝的許多酶促反應(yīng)，往往以自由基的形式作為電子轉(zhuǎn)移的中間產(chǎn)物。黃素單核苷酸（FMN）和黃素嘌呤二核苷酸（FAD）是很多黃素酶的輔基，在黃素酶的酶促反應(yīng)中，電子從黃素轉(zhuǎn)移時形成黃素半醌自由基，它是酶促反應(yīng)實現(xiàn)電子轉(zhuǎn)移的必要中間物。第57頁，共108頁，2023年，2月20日，星期五

參與有機(jī)物分解與合成：活性氧在植物代謝中的另一種重要作用是導(dǎo)致某些化合物的合成與分解。如植物細(xì)胞壁的形成和木質(zhì)素的合成與降解過程都與O·ˉ2和H2O2有密切關(guān)系。木質(zhì)素是一種羥醛醇多聚物，在它的生物合成的最后一步就是由結(jié)合在細(xì)胞壁上的過氧化物酶和H2O2使木質(zhì)素單體發(fā)生聚合反應(yīng)。

木質(zhì)素的降解可分為酶促降解和非酶促降解兩種類型，酶解也是在過氧化物酶和H2O2參與下使聚合的木質(zhì)素解聚為木質(zhì)素單體。非酶降解則是由O·ˉ2

、·OH、H2O2等活性氧作用使聚合的木質(zhì)素降解為單體，其中以Fenton反應(yīng)產(chǎn)生的·OH作用最大。第58頁，共108頁，2023年，2月20日，星期五

②氧自由基對細(xì)胞抗病的作用

植物與病原體相互作用時，發(fā)生了與病原體識別作用有關(guān)的氧化爆發(fā)（oxidativevburst），并產(chǎn)生了大量的O·ˉ2和H2O2?；钚匝鮋·ˉ2和H2O2的氧化還原反應(yīng)可以是植物抗病性的直接因子，也可以是后來抗性的信號調(diào)節(jié)因子?？共∽饔茫夯钚匝踉诩?xì)胞外可以直接殺死病原體；在細(xì)胞壁能使壁蛋白氧化交聯(lián)，既加固細(xì)胞壁又防止病原體侵入；在細(xì)胞內(nèi)它可以作為一種抗性的信號分子啟動與抗病相關(guān)蛋白的基因表達(dá)。

第59頁，共108頁，2023年，2月20日，星期五圖24.8是植物與病原體相互作用中活性氧的產(chǎn)生與功能的模式。誘導(dǎo)物（elicitor）受體啟動G蛋白，G蛋白打開細(xì)胞膜上的鈣通道，使細(xì)胞內(nèi)Ca2+，Ca2+濃度升高可激活蛋白激酶，蛋白激酶通過磷酸化作用進(jìn)一步激發(fā)NAD（P）H氧化酶，NAD（P）H氧化酶自氧化產(chǎn)生·

O-2和·

O-2的歧化反應(yīng)產(chǎn)物H2O2。第60頁，共108頁，2023年，2月20日，星期五植物對病原體產(chǎn)生的激發(fā)與抑制物的反應(yīng)A.抗性寄主的抗病反應(yīng)?？剐约闹髂茏R別病原體產(chǎn)生的激發(fā)子，識別反應(yīng)后激活信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)引起Ca2+的釋放和蛋白酶的磷酸化，誘導(dǎo)抗病基因活化，導(dǎo)致植保素、病原相關(guān)蛋白等抗病因子的生物合成，從而抗御病原體的侵染。B.寄主的感病機(jī)理。病原體產(chǎn)生的抑制物如寄主特異毒素HST，能抑制質(zhì)膜上ATP酶的活性，使質(zhì)膜中信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)喪失功能，不能對病原體的侵染及時作出反應(yīng)，即抗病基因不活化，細(xì)胞不合成抗病因子；也可能病原體產(chǎn)生的抑制物直接抑制抗病的基因的表達(dá)，從而使寄主感病。第61頁，共108頁，2023年，2月20日，星期五

③

氧自由基參與乙烯的形成乙烯作為一種植物激素，在植物生長發(fā)育和衰老過程所起的作用已被人們廣泛地關(guān)注。植物乙烯的形成不但與光、溫、CO2和Ca2+有關(guān)，而且氧自由基對乙烯合成的重要性也逐漸被人們所認(rèn)識。1979年Lieberman提出氧自由基參與乙烯的形成。目前有兩種解釋：一種認(rèn)為超氧物自由基（O·ˉ2

）激發(fā)乙烯合成酶（EFE）從而促進(jìn)乙烯釋放。在豌豆和蘋果材料上也進(jìn)一步證明O·ˉ2參與乙烯形成的作用部位是在ACC到乙烯這一步，O·ˉ2激發(fā)乙烯合成酶促進(jìn)了這一步反應(yīng)的加強(qiáng)。另一種觀點是羥自由基直接作用于蛋氨酸而產(chǎn)生乙烯，隨后又從已知的Fenton反應(yīng)或鐵催化的Habeir-Weiss反應(yīng)產(chǎn)生的·OH也可以與蛋氨酸作用形成乙烯，其過程如下：

Fe2+＋H2O2→Fe3+＋OH-＋·OHMet-Pyp＋·OH→OH-+C2H4+其它產(chǎn)物從上述反應(yīng)過程中表明，·OH是乙烯形成的直接作用因子，O·ˉ2

、H2O2其它活性氧是作為產(chǎn)生·OH的一個因素，所以SOD或過氧化氫酶也能抑制乙烯形成。逆境誘發(fā)植物產(chǎn)生乙烯，抑制生長，加速老化。第62頁，共108頁，2023年，2月20日，星期五

④活性氧在調(diào)節(jié)光能耗散中的作用光合作用包括光能固定和過剩光能耗散兩方面，對于后者，除了先前人們所熟悉的光呼吸外，最近又報道在光合系統(tǒng)II復(fù)合體內(nèi)也存在著與活性氧產(chǎn)生與猝滅相關(guān)的三種光能耗散方式：圍繞PSII的電子循環(huán)與類囊體膜的能量化和葉黃素循環(huán)有關(guān)的熱耗散與PSII反應(yīng)中心異質(zhì)化及D1蛋白損傷修復(fù)有關(guān)的能量耗散機(jī)理

早在1962年就證明了葉片中的葉黃素循環(huán)，但直到1990年才知道這循環(huán)的生理功能與膜能量化一起共同調(diào)節(jié)過剩光能耗散。在光照下，葉黃素循環(huán)中由紫黃質(zhì)轉(zhuǎn)化為玉米黃質(zhì)，共軛雙鍵數(shù)由9個增加到11個，這就是利用共軛雙鍵的長短來調(diào)節(jié)能量流向的分子機(jī)理。在PSII復(fù)合蛋白中，由紫黃質(zhì)轉(zhuǎn)化為玉米黃質(zhì)時伴隨著抗壞血酸轉(zhuǎn)化為脫氫抗壞血酸，以及O·ˉ2→H2O2，H2O2→O2的過程?？梢?，活性氧的轉(zhuǎn)化對過剩光能的合理耗散有著一定的聯(lián)系。

第63頁，共108頁，2023年，2月20日，星期五在強(qiáng)光缺氧條件下，活化紫黃素脫環(huán)氧化酶催化紫黃素（含9個雙鍵）發(fā)生脫氧化作用，生成玉米黃素（含11個雙鍵），在低光有氧條件下，活化玉米黃素生成紫黃素。葉黃素循環(huán)，調(diào)節(jié)共軛雙鍵以調(diào)節(jié)能量的流向和耗散對植物有損傷作用的活性氧。（紫黃素）（環(huán)氧玉米黃素）（玉米黃素）第64頁，共108頁，2023年，2月20日，星期五

80年代中期以來，光合作用的一個研究熱點，是植物在強(qiáng)光下發(fā)生的光合作用下降現(xiàn)象——光抑制。眾多的研究證實，植物光抑制是活性氧（較多的指1O2）導(dǎo)致部分PSII的D1、D2蛋白損傷和PSII反應(yīng)中心異質(zhì)化（非均一性）所引起的；同時又闡明，植物光抑制現(xiàn)象是一種調(diào)節(jié)過剩光能合理耗散的重要方式。植物在光脅迫下外源化學(xué)法產(chǎn)生的單線態(tài)氧激發(fā)光抑制現(xiàn)象，而外源組氨酸（1O2清除劑）又能抑制光抑制。通過化學(xué)修飾法測定PSII反應(yīng)中心的His殘疾含量，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)光下His殘基少，與暗中有單線態(tài)氧作用時所發(fā)生的His殘基減少相一致?？梢?，植物的光抑制與單線態(tài)氧作用直接相關(guān)。

第65頁，共108頁，2023年，2月20日，星期五第66頁，共108頁，2023年，2月20日，星期五第67頁，共108頁，2023年，2月20日，星期五

一般認(rèn)為，干旱能增加植物體內(nèi)的活性氧含量，從而促進(jìn)膜脂過氧化或膜脂脫脂反應(yīng)。而植物耐脫水能力與自身維持活性代謝平衡能力有關(guān)。如較抗旱的一種地衣在干旱時，SOD活性迅速上升，而相應(yīng)不耐旱的地衣遇干旱時SOD活性下降。植物組織在低溫傷害初期普遍出現(xiàn)呼吸的提高和氧氣攝入量的增加，低溫引起線粒體和葉綠體中SOD活性下降，導(dǎo)致O·ˉ2，·OH等水平提高，從而促進(jìn)膜脂過氧化作用，使膜結(jié)構(gòu)和功能破壞。其它脅迫如強(qiáng)光、鹽漬、病害、大氣污染都會引起植物體內(nèi)活性氧化代謝失調(diào)而引起傷害。綜上所述，活性氧代謝失調(diào)是植物在各種逆境脅迫下遭受傷害的共同機(jī)理之一，并且由于不同逆境對植物活性氧影響十分相似，故活性氧代謝能夠反映植物的綜合抗逆性。目前在植物逆境生理研究中，大多都要測定膜脂過氧化產(chǎn)物丙二醛含量、膜相對透性，以次來說明逆境下膜傷害的程度。都要測定保護(hù)酶系統(tǒng)的活性，以次來說明植物清除活性氧抵抗逆境的能力。在一定范圍之內(nèi)，逆境下產(chǎn)生活性氧多，如保護(hù)酶系統(tǒng)活性高，清除自由基的能力也增強(qiáng)，就減輕了傷害，也就提高植物抗逆能力。第68頁，共108頁，2023年，2月20日，星期五五、滲透調(diào)節(jié)與植物抗逆性

(一)滲透調(diào)節(jié)現(xiàn)象及影響滲透調(diào)節(jié)的因素

滲透調(diào)節(jié)是指細(xì)胞內(nèi)滲透勢的調(diào)節(jié)（細(xì)胞質(zhì)濃度的調(diào)節(jié)）。當(dāng)植物處在高鹽濃度或干旱條件下，很容易使植物失水變干旱，與環(huán)境吸收水分的平衡失調(diào)，植物為了保護(hù)水分的吸收，減少水分丟失，可以以調(diào)節(jié)細(xì)胞滲透勢的方式，保持與環(huán)境的滲透平衡。滲透調(diào)節(jié)術(shù)語有兩種表示：“Osmoregulation”和“Osmoticadjustment”。指的是通過在細(xì)胞內(nèi)溶液中加入或除去溶質(zhì)，從而達(dá)到細(xì)胞滲透勢與其外界環(huán)境的勢能平衡（當(dāng)外界環(huán)境水勢增高，細(xì)胞的水勢也增高；當(dāng)環(huán)境水勢降低，細(xì)胞的水勢也會降低）。它既包括細(xì)胞內(nèi)滲透勢下降（溶質(zhì)增加），也包括細(xì)胞內(nèi)滲透勢的增加（溶質(zhì)減少）。如藻類生物。由于干旱或鹽漬，細(xì)胞內(nèi)溶質(zhì)濃度增加而引起細(xì)胞滲透勢的下降。不同于細(xì)胞脫水和收縮所形成的溶質(zhì)濃度增加，也就是說滲透調(diào)節(jié)是每個細(xì)胞溶質(zhì)濃度的凈增加，而不是細(xì)胞失水體積變小而引起的溶質(zhì)濃度增加，參與滲透調(diào)節(jié)作用的物質(zhì)既有從外界環(huán)境中進(jìn)入的無機(jī)離子，如K+離子，也有植物體內(nèi)合成的有機(jī)物。第69頁，共108頁，2023年，2月20日，星期五第70頁，共108頁，2023年，2月20日，星期五

植物滲透調(diào)節(jié)意義:

①維持細(xì)胞的膨壓穩(wěn)定。保持氣孔開張，維持生長。我們知道，細(xì)胞水勢。ψw=ψs+ψp，而細(xì)胞壓力勢（膨壓）ψp=ψw-ψs。當(dāng)細(xì)胞水勢下降時，要使ψp保持不變，ψs下降就是極其重要的一種方式。②減少水分丟失，提高細(xì)胞的保水力。

影響滲透調(diào)節(jié)的因素：

①環(huán)境水分虧缺發(fā)展的速度是影響植物滲透調(diào)節(jié)能力的主要因素，一般來講，環(huán)境缺水發(fā)展快，植物滲透調(diào)節(jié)能力變小。第71頁，共108頁，2023年，2月20日，星期五②環(huán)境缺水的程度（輕、中、嚴(yán)）也影響植物的滲透調(diào)節(jié)能力，Jones等（1978）指出受旱的高粱。如果葉子水勢在黎明前為-0.4MPa，其滲透調(diào)節(jié)可有4巴。而中午葉水勢達(dá)-1.6MPa時，其滲透調(diào)節(jié)只有0.7MPa，結(jié)果表明高粱葉中，缺水不嚴(yán)重，滲透調(diào)節(jié)可維持膨壓不變，但當(dāng)土壤缺水嚴(yán)重時，這種能力就下降了。其它環(huán)境條件，如光照強(qiáng)度、溫度也可通過對植物細(xì)胞內(nèi)溶質(zhì)含量變化的影響，而直接影響植物的滲透調(diào)節(jié)能力。③不同品種植物或植物不同部位的滲透調(diào)節(jié)能力也有很大的差別。不是所有的品種都具有滲透調(diào)節(jié)能力。如某些品種或栽培種（Sionwit等1971.Turner等1978）番茄、小麥（Gavanda等1976.Morgan等1977）就沒有滲透調(diào)節(jié)能力。④小麥莖段和正展開的葉子的滲透調(diào)節(jié)能力要比完全展開葉強(qiáng)，可能時原生質(zhì)本身代謝能力強(qiáng)特點而表現(xiàn)出的差異。第72頁，共108頁，2023年，2月20日，星期五

（二）滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)及其累積的生理作用植物發(fā)生水分虧缺時，要達(dá)到細(xì)胞膨壓勢不變，細(xì)胞內(nèi)滲透勢下降是關(guān)鍵，而滲透勢下降又以細(xì)胞內(nèi)溶質(zhì)增加為主要原因。植物往往通過細(xì)胞內(nèi)積累一些對原生質(zhì)無傷害的物質(zhì)，來調(diào)節(jié)細(xì)胞滲透勢而起抗?jié)B透脅迫的作用。

決定細(xì)胞滲透勢的可溶性物質(zhì)基本上分為兩大類：一是由外界環(huán)境進(jìn)入細(xì)胞的無機(jī)離子，K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、NO3-

。如微生物和鹽生植物中的鉀離子、氯離子，高等植物淡土植物中的有機(jī)酸鉀鹽。二是在細(xì)胞內(nèi)合成的有機(jī)溶質(zhì)。在有機(jī)溶質(zhì)中真正與之有關(guān)的化合物范圍是很窄的、有限的。主要是多元醇和偶極的含氮化合物。脯氨酸、甜菜堿、甘氨酸、丙氨酸，蔗糖、甘露糖醇、山梨糖醇。在微管植物中主要是脯氨酸和甜菜堿。第73頁，共108頁，2023年，2月20日，星期五

參與滲透調(diào)節(jié)的有機(jī)物質(zhì)為什么是有限的？主要因為作為滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)需要具備一些特征：①必須十分容易溶解；②分子量??；③在生理PH范圍內(nèi)必須不攜帶凈電荷；④必須能為細(xì)胞膜所保持；⑤引起酶結(jié)構(gòu)變化的作用必須最小，在酶結(jié)果稍有變化是，能使酶構(gòu)象穩(wěn)定而不致溶解。⑥它們的生成必須是迅速的，不但能從主要的生化途徑的某個中間體，經(jīng)過若干酶反應(yīng)就產(chǎn)生出來；而且要積累到足以引起調(diào)節(jié)滲透勢的作用量。第74頁，共108頁，2023年，2月20日，星期五脯氨酸山梨(糖)醇甜菜堿第75頁，共108頁，2023年，2月20日，星期五脯氨酸:

PEG水分脅迫下高粱葉片脯氨酸含量變化(湯章城1984)溶液水勢(MPa)-0.25-0.50-0.75-1.0葉片水勢(MPa)-0.25-0.60-0.95-1.45脯氨酸含量(mg·g-1DW)

19175110764535第76頁，共108頁，2023年，2月20日，星期五

鹽漬條件下，正常生長小球藻脯氨酸含量20mmolL-1-g-1FW，在300%濃度人工海水中，脯氨酸的含量達(dá)1500-1600mmolL-1-g-1FW。相對增長70-80倍。草莓葉片1-2℃處理7天，葉片脯氨酸含量比對照增加120-170%。趙思齊等（1984）小麥越冬前分蘗節(jié)以上1㎝部分脯氨酸含量低，12月下旬隨葉子枯死分蘗節(jié)部位脯氨酸直線上升。1-2月上旬達(dá)到最大值，以后又逐漸降低。正因為脯氨酸含量變化幅度大，敏感，因而近十幾年來一直為研究者們所注意。第77頁，共108頁，2023年，2月20日，星期五

作為滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)脯氨酸優(yōu)點：①它有很強(qiáng)的溶解度（162.3g/100gH2O25℃）。②是一種偶極含氧化合物。在生理pH范圍內(nèi)不帶凈電荷，對植物無毒害。③濃度達(dá)600nmol/L對酶無抑制作用，顯然它在細(xì)胞內(nèi)絕對含量不高，但由于較多地集中在細(xì)胞質(zhì)中，在細(xì)胞質(zhì)中可達(dá)很高的濃度，而發(fā)揮滲透調(diào)節(jié)作用。此外，它可以作為無毒形式的氮源，對膜和代謝有保護(hù)作用。④生成迅速,能被細(xì)胞膜所保持住。

脯氨酸生理作用:①降低滲透勢，減少水分的丟失。②脯氨酸水溶性極強(qiáng)，具有高水合能力，有利維持原生質(zhì)膠體穩(wěn)定性。③含氮化合物的貯藏和解毒形式。④對蛋白質(zhì)及酶結(jié)構(gòu)保護(hù)作用。第78頁，共108頁，2023年，2月20日，星期五

有人根據(jù)累積有機(jī)溶質(zhì)的作用提出了“水結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)”（waterstructureregulation）和”水活度調(diào)節(jié)”（wateractivityregulation）。

水結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié):

強(qiáng)調(diào)脯氨酸的作用在于它的疏水部分與生物聚合體的疏水側(cè)鍵通過氫鍵相結(jié)合。使得生物聚合體疏水側(cè)鍵通過脯氨酸的羧基和氨基成為親水部分，增加了對水的親和力，從而在可用水分減少情況下，仍維持生物聚合體的水分作用。脯氨酸如同一個放大器，增加了生物聚合體的親和性（Schobert1977）。